[論文レビュー] Structural, elastic, electronic, bonding, thermo-mechanical and optical properties of predicted NbAlB MAB phase in comparison to MoAlB: DFT based ab-initio insights

Mst. Bina Aktar, F. Parvin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2023

MXene and MAX Phase Materials被引用数 6

ひとこと要約

第一原理DFT研究により、新規のNbAlB MAB相の構造的・弾性的・電子的・結合的・熱機械的・光学的性質が予測され、MoAlBと比較された。NbAlBは化学的に安定で、機械的硬度が高く（19.0 GPa）、フェルミ準位における高い状態密度（DOS）のおかげで高い導電性を示し、紫外線吸収性および太陽光反射性に優れ、加工性および電気的導電性においてMoAlBを上回る性能を示した。

ABSTRACT

In this study, we have used density functional theory (DFT) based first-principles investigation of the physical properties of prospective NbAlB compound for the first time. From the analysis of the cohesive energy and enthalpy of formation, it was found that NbAlB is chemically stable. The physical properties of NbAlB have been compared and contrasted with those obtained for MoAlB. Both these MAB phases are elastically anisotropic, mechanically stable, machinable and brittle materials. Structural and elastic features reflect the layered features. The estimated hardness of NbAlB is 19.0 GPa comparable to that of MoAlB (20.8 GPa) suggesting that predicted NbAlB is a hard compound and is suitable for heavy duty industrial applications. NbAlB is more machinable than MoAlB. Electronic band structure calculations reveal conventional metallic behavior with the electronic density of states at the Fermi level arising mainly due to the Nb 4d orbitals in NbAlB. The electronic density of states at the Fermi level is significantly higher in NbAlB in comparison to MoAlB, indicating that NbAlB is expected to exhibit higher level of electrical conductivity. Electronic dispersion is highly anisotropic for both MoAlB and NbAlB with substantially large electronic effective masses in the out-of-plane directions. The bonding features have been elucidated via the analysis of the band structure and charge density distribution. Both the compounds have mixed covalent, ionic and metallic bonding characteristics. The Fermi surfaces of MoAlB and NbAlB consists of electron and hole like sheets. The Debye temperatures of MoAlB and NbAlB are comparable. The estimated melting temperature of NbAlB is somewhat lower than that of MoAlB. NbAlB shows excellent reflection characteristics suitable to be used as an efficient solar reflector. NbAlB is also expected to absorb ultraviolet radiation very effectively.

研究の動機と目的

• 新規のNbAlB MAB相の構造的および熱力学的安定性を予測・分析すること。
• 既に確立されたMoAlB相と比較して、NbAlBの機械的・電子的・結合的特性を評価すること。
• 工業的およびオプトエレクトロニクス用途への応用を想定し、NbAlBの熱機械的および光学的性質を評価すること。
• 電子構造解析に基づき、両MAB相の電気的導電性および異方性を評価すること。
• 重機用被膜や太陽光反射材としての高機能応用に適したNbAlBの適性を特定すること。

提案手法

• 電子構造計算に一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 熱力学的安定性の評価のため、解離エネルギーおよび生成エンタルピーを計算した。
• 弾性テンソル計算を用いて、機械的安定性、異方性、および硬度（Pughの法則によるボイアーズ硬度）を評価した。
• 電子バンド構造、状態密度（DOS）、フェルミ面のトポロジーを分析し、電子的挙動および有効質量を特定した。
• 電子構造解析による電荷密度分布および結合性質の評価により、共有結合的・イオン的・金属的寄与を同定した。
• フォノンおよび熱力学的モデルを用いてデバイ温度および融点を計算した；誘電関数から光学的反射率および紫外線吸収特性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NbAlB MAB相は熱力学的に安定であるか？ また、MoAlBと比較してその安定性はいかがであるか？
• RQ2 NbAlBの機械的特性は何か？ また、硬度・破壊性・加工性の観点からMoAlBと比較してどう異なるか？
• RQ3 NbAlBの電子構造はMoAlBとどのように異なるか？ 特にフェルミ準位におけるDOSおよび電気的導電性の観点から説明せよ。
• RQ4 NbAlBの化学結合の性質は何か？ また、共有結合的・イオン的・金属的寄与の観点からMoAlBと比較してどう異なるか？
• RQ5 NbAlBの光学的および熱機械的特性は何か？ また、太陽光反射材または紫外線吸収材として効果的に機能できるか？

主な発見

• NbAlBは熱力学的に安定であり、負の生成エンタルピーおよび好ましい解離エネルギーを示しており、化学的安定性が確認された。
• NbAlBの計算されたボイアーズ硬度は19.0 GPaであり、MoAlB（20.8 GPa）と同等の高さであり、産業用途に適した高い機械的耐久性を示した。
• NbAlBはMoAlBに比べてフェルミ準位における電子状態密度（DOS）が顕著に高く、優れた電気的導電性を示すと予想された。
• NbAlBおよびMoAlBの両者とも、フェルミ準位に近い方向に大きな有効質量を示し、強い電子的異方性を示した。
• NbAlBおよびMoAlBのデバイ温度は類似しており、同様の格子振動行動を示した。
• NbAlBは優れた太陽光反射性および強い紫外線吸収性を示し、太陽光反射材および紫外線遮断用途に有望な候補であることが明らかになった。